水分是制约西北干旱、半干旱区农林业发展的一个关键因子。由于该区天然降雨量少, 且时、空分布极不均匀, 再加上地下水资源严重匮乏, 给当地群众的生活和生产带来了极大困难(陈昌毓, 1995;赵松龄, 1996)。通过雨水集流措施, 把大气降水贮纳起来, 结合节水灌溉和抗旱栽培等综合配套技术, 在无灌溉条件的农村建立以优质果树为主的家庭生态果园, 不仅提高了土地和水资源的使用效率, 而且也给农户带来了一定的经济效益。本文对插管(瓶)灌根、双瓶渗灌(赵岷阳等, 1996;初长海, 1997)等新型节水灌溉方法及果带覆膜等配套技术的效果进行了对比分析和研究, 旨在为实行旱地果园的科学化、集约化、规范化管理提供科学依据。

1 试验区自然条件

本试验区位于甘肃省会宁县新庄乡杜岘村。该地海拔约1800m, 为典型的黄土残塬地貌。属温带季风型气候, 年均气温8 ℃左右, 年日照时数2226.6 ~ 2520.3h。年均降水量312.8m m, 年内分配极不均匀, 其中7、8、9三个月降水量平均占全年降水量的85%左右; 年度间变率也较大, 其中1996年、1997年降雨量仅为233.3mm和181.5mm。蒸发强烈, 干燥度为3.24, 无霜期173 d。土壤类型主要为灰钙土, 有机质含量为1%~ 2%, 钙积层厚约20 ~ 30cm, 土壤容重为1.25g/cm³, 田间持水量为23.74%。

2 试验材料与方法 2.1 试验区设置

本试验区以农户为单位。自1996年起, 两年共选置了58户重点试验示范户, 每户均有硬化集流场1处, 水窖4.8眼, 果园面积约为0.0667hm², 陆续引进栽培了金富(145)、早生富士和美红等优良苹果品种。栽植方法为丰产坑栽植, 密度以3m ×4m和2m ×4m为主。

采用自行设计的插管(瓶)灌根和双瓶渗灌等节水灌根技术为主要补灌方式(如图 1、图 2), 普通穴灌和天然降雨作为对照。

此外, 还对果树进行了树盘覆膜(1.5m ×1.5m)或整带覆膜(每带宽1.2m)处理, 无覆膜果树为对照。

2.2 研究方法

观测数据的收集  运用分层抽样对于定植后的苹果幼树, 分别不同的品种、年龄、补灌方式和管理措施, 定时定位测定其树高、干径(果树中央主干距地表 5cm处的直径)、冠幅、发枝量和叶面积等。叶面积用LI -3000便携式面积仪测定; 干径和冠幅测定用十字测量法进行; 根系分布用挖掘法调查; 土壤含水率的测定采用烘干称重法, 取样深度为0 ~ 80cm, 分4个层次、3个重复。

数据处理  用指数曲线模型对不同补灌方式下的土壤含水率消退规律进行了模拟和分析; 不同的补灌方式和果园覆膜技术对果树5个生长指标的影响进行了双因素方差分析。以上原始数据的储存及相应处理都是在PC486计算机上实现的。

3 结果与分析 3.1 不同补灌方式的节水效应

插管(瓶)灌根、双瓶渗灌等节水灌根技术特点分析  对插管(瓶)灌根、双瓶渗灌等3种补灌方式的有关技术参数比较分析(表 1), 可以说明由于所用材料结构及使用方法的不同, 导致了它们在实际效果上的差异。

据观测, 经节水灌根后在离浸润起始深度以下形成了一个近似椭球状的浸润土体, 其土壤水分在重力势的作用下以垂直下渗为主, 在渗幅半径以外很少产生侧面渗流(李凯荣, 1998;孙长忠, 1998)。从表 1不难看出, 插管灌根的起始浸润深度在距地表 40 ~ 50cm处, 水平渗幅较小, 其主要供水对象为果树主根及少量侧根; 而插瓶灌根与双瓶渗灌类似, 浸润起始深度在15 ~ 40cm之间且渗幅半径较大, 能为分布在20 ~ 60cm土层内的各级水平侧根提供生长所需水分。考虑到3种方法的具体技术特点, 建议在设计补灌装置时结合使用并随果树根幅的扩大, 而及时加以调整。

节水效益分析利用节水灌根技术实现了果园补灌水分的空间再次分配。经测定, 果带内和果带间0 ~ 80cm土层内土壤含水率如表 2所示。

据表可知, 果树带内0 ~ 80cm土壤平均含水率比果树带间的提高了8.24%; 果树根系的主要土壤分布层20 ~ 60cm含水率前者较后者高出8.87%。

据初步调查统计, 本试验区内幼年果树(1 ~ 2 a生)普通穴灌年灌水量约为378.0m³/hm²;而采用节水灌根技术, 在保证果树正常生长的前提下, 每年平均仅需水126m³/hm², 比普通穴灌节水66.67%。

3.2 土壤含水率消退规律

果园补灌后, 由于果树的蒸腾作用和地表的强烈蒸发, 土壤含水率逐渐减少接近凋萎系数5%左右, 直到下一次降雨或人工补灌后恢复为止。因而, 对土壤水分消退规律的研究是确定合理果园补灌周期和次数的主要依据和关键。

一般采用指数模型来模拟无雨期土壤水分消退过程(张学龙等, 1998;荔克让等, 1997), 如下列方程:

式中: W_t、W₀分别为t日后和起始日土壤含水率, K值为各因子对土壤水分消退影响的综合反映, W_min为最小土壤含水率, t为消退天数

采取普通穴灌(方法Ⅰ)、节水灌根(方法Ⅱ)和节水灌根+果带覆膜(方法Ⅲ)等3种补水方法进行果园补灌后, 选择连续晴天对0 ~ 20 cm、20 ~ 60 cm和60 ~ 80 cm等3层土壤含水率的消退过程用上述方程进行了模拟, 所得经验方程列划表 3, 消退趋势曲线见图 2。

由表 3知, 以上3种果园补灌方法的K值随着土层深度的增加而加大。60 ~ 80cm层的K值均在0.90以上, 说明该层土壤含水率稳定性较强, 消退过程缓慢、平稳; 20 ~ 60 cm土壤层的K值在0.80 ~ 0.93范围内, 说明土壤水分具有一定的活动性; 0~ 20cm土表层K值在0.8以下, 土壤水分变化十分强烈。经普通穴灌后, 该层土壤含水率很快(约6 a左右)降至最低水平(5.7%)附近, 继而在土壤水势梯度的作用下致使下层土壤水分通过毛孔上升再度蒸发, 从而造成土壤水分的大量耗散。方法Ⅱ虽然在0 ~ 20cm土层无直接补水, 在地表形成了一个相对的干土层减缓了水分蒸发过程, 然而最终难以避免裸露地表蒸发引起的水分损耗。

参考图 2可以看出, 方法Ⅲ的土壤含水率消退曲线在0 ~ 80cm各层均比其它两种方法平缓。结合表 3 : 0 ~ 20 cm土层内, 方法Ⅰ和Ⅱ分别在补灌后第6d和第11d土壤含水率就接近最低值5.7%, 而方法Ⅲ则在第11d后其值仍维持在9%左右且变化缓慢, 这说明地表覆膜可以有效地抑制地表蒸发, 这与许多学者的研究是一致的(许明宪, 1998;赵长增, 1996;王斌瑞, 1996)。在根系主要分布的20 ~ 60 cm及以下60 ~ 80cm土壤层, 如取土壤含水率14.24%(田间持水量的60%)为有效供水的下限, 可以得出经这3种方法补灌后土壤含水率从田间持水量降到该值的消退天数, 见表 4。

据表 4知, 采用方法Ⅲ进行补灌后, 在连续无降雨条件下, 最佳补灌周期为30 ~ 45d。也就是说, 其能够满足果树正常生长所需的时间要比方法Ⅰ和Ⅱ分别延长了30 d和25 d。

综上所述, 采用方法Ⅲ在果园补灌时不仅可以节约每次的补灌量, 而且避免了裸露地表水分的直接蒸发损耗, 提高了补灌后土壤持续供水的有效性, 延长了补灌周期, 从而减少了果树需水期的灌溉次数, 达到了提高水分利用率的目的。

3.3 节水灌根对幼年果树生长发育的影响

在果园施肥、整地和果树整形修剪等管理措施一致的条件下, 对采取天然降雨(A)、普通穴灌(B)、节水灌根(C)和节水灌根+覆膜(D)等4种水分补给方法下幼年苹果树的生长进行了定时定位观测。以定植后2 a生主栽品种金富为例, 其生长量观测如表 5。

由表 5看出进行补水灌溉后的果树各项生长指标均显著高于天然降雨, 这充分说明旱地果园补偿供水效益极为明显。其中节水灌根后幼年果树的树高、干径、冠幅、发枝量和叶面积分别比天然降水提高了40.93%、34.94%、50.23%、23.06%和73.19%。普通穴灌和节水灌根条件下的高和干径生长量基本一致, 其它3项生长指标后者稍高于前者。经初步分析, 这与后者的水分在补灌前通过高位水池经太阳光辐射后水温比窖水有所提高, 更有利于幼树根系吸收和利用是有关系的。另外, 据观察节水灌根结合果树带覆膜的果树生长量明显高出穴灌及节水灌根的生长量。

对补灌方式(A)及果带覆膜(B)对果树生长的影响进行了双因素方差分析, 结果如表 6所示。

方差分析表明, 节水灌根方法比普通穴灌对果树冠幅、发枝量和叶面积生长影响更为显著。覆膜与无覆膜果带相比, 对果树的各项生长指标(高因子除外)也具有显著的促进效应。这与覆膜能够增加土壤保墒能力、减少地面蒸发, 提高土温及土壤孔隙度和微生物活动等积极因素是密不可分的(许明宪, 1998;赵长增, 1996)。与此同时, 两因素的交互作用对果树发枝量和叶面积生长也具有显著促进作用, 说明二因子对果树生长不但有单独的促进效果, 而且还发挥了因子之间的叠加效应。

3.4 节水灌根技术成本比较分析

节水灌根技术在实践中具有可操作性强、原材料价格低的优点, 适用于农村庭院化和集约化程度较高的旱地果园。据初步核算, 3种节水灌根方法成本投入如表 7所示。

由此可见, 以上3种节水灌根技术材料成本仅占滴灌设备的11% ~ 33.2%, 也就是说, 其每0.0667hm²果园的材料成本投入还不到100元。这对于本技术在贫困干旱山区的进一步深化和推广应用, 无疑提供了良好的经济背景。

4 结论

利用插管灌根等节水灌溉技术在果树带内使补给水分直接渗透到根系的主要分布层, 缩小了无效的浸润面积, 并缓解了地表无效蒸发过程, 提高了水分利用率。对于1 ~ 2 a生幼年果树, 其年均补水量仅为126m³/hm², 比果园普通穴灌节约用水66.67%。由于节灌本身材料结构及使用方法不同, 导致了三种节水灌根方法在实践效果上的差异。如合理配置, 结合使用则效果更好。

土壤水分消退规律研究表明: K值在土壤0 ~ 80 cm层内自上向下呈增大趋势, 也就是说土壤水分消退变化由上至下逐渐减弱, 相反稳定性增强。同时经对比分析, 采用节水灌根结合地表覆膜方法可以避免裸露地表的强烈蒸发, 从而提高了土壤有效供水的持续性。在连续无降雨条件下, 其最佳灌水周期为30 ~ 45d, 分别比普通穴灌和节水灌根(无覆膜)方法延长了30 d和25d。这样就减少了果树需水期的补灌次数, 达到了提高水分利用率的目的。

果树生长量定位连续测定表明:旱地果园中幼年果树的补偿供水效果明显。经节水灌根后, 2 a生苹果树的高、干径、冠幅、发枝量和叶面积生长量分别比天然降水提高了40.93%、34.9%、50.23%、23.06%和73.19%。方差分析表明:节水灌根比普通穴灌更有效地促进了果树的发枝量、冠幅和叶面积的生长; 覆膜技术对果树生长除高因子外, 其它生长指标的影响也十分显著; 同时两因素对果树的发枝量及叶面积生长具有显著的交互作用, 发挥了因子间的叠加效应。